A Miskolci
Egyetem
Közleménye
A sorozat,
Bányászat,
66. kötet,
( 2 0 0 4 ) p. 103-108
A HŰTŐ-KENŐ FOLYADÉKOT ALKALMAZÓ MEGMUNKÁLÁSI TECHNOLÓGIÁK KIVÁLTÁSÁNAK LEHETŐSÉGE
Irina Leschenko oki. gépészmérnök, doktori ösztöndíjas Miskolci Egyetem
A hagyományos gépipari megmunkálások (forgácsolás, fúrás, csiszolás) során általában olaj, illetőleg olajtartalmú emulzió szolgál a keletkezett hő elvezetésére, a munkadarab, illetőleg a szerszám hűtésére. Az olajfelhasználás számottevő költséget jelent, a folyadék szilárdanyagtól való szétválasztása folyamatos feladatot, a maradék anyag elhelyezése környezeti problémákat vet fel. Jelen rövid tanulmányban a felhasznált mennyiségeket jellemezzük, valamint az olajfelhasználás költség vonzatait, majd röviden utalunk a kenő-hűtő folyadék igény csökkentésének lehetőségeire. A felhasznált mennyiségeket először németországi adatok alapján jellemezzük. [1, 2, 3] A Német Szövetségi Gazdasági Hivatal adatai szerint az 1990-es években a több mint 1 millió tonna összkenőanyagból megközelítőleg 100 ezer tonna olaj került hűtőanyagként felhasználásra. Ebből a mennyiségből 58 ezer tonna olajat a forgácsolás tiszta olajhütésére, 35 ezer tonnát pedig olajbázisként vízben keverhető hűtő-kenőanyagként használtak fel. A hűtő-kenőanyag emulzióban az olaj aránya általában 5 % volt, ebből adódóan évente 750 ezer tonna semlegesítendő, feldolgozandó hűtőkenőanyag mennyiség keletkezett. Németországban tehát évente mintegy 800 ezer tonna olaj, olajos emulzió „kezelése", semlegesítése volt a feladat.
95
Leschenko
1.
A hűtő-kenőanyagként felhasznált olaj fajlagos költsége kereken 2000 DM/tonna volt. A fáradtolaj és olajkeverék semlegesítési költsége 500-1000 DM/tonna, az 5 -30 %-os klórtartalmú olajkeverék semlegesítési költsége 1000-2500 DM/tonna, az 5-30 %-os klórtartalmú emulzió, ill. nem bontható iszap kezelési költsége 800-1400 DM/tonna volt. A keletkezett kereken 800 ezer tonna olaj, ill. emulzió összes semlegesítési költsége, átlagosan 1500 DM/t kezelési költséggel számolva, 1,2 milliárd DM/év tételt jelentett. A hűtő- és kenőanyag költségek a német fémfeldolgozó ipar évi összköltségének mintegy 16 %-át teszik ki és ennek a költségnek a 22 %-át ezen anyagok és maradékainak kezelésére, ártalmatlanítására fordítják. Ami talán meglepő a 16 %-os hűtő-kenőanyagköltség mellett a szerszámköltség „mindössze" 4 %-ot tesz ki. Hasonló volt a helyzet, illetőleg a költségarányok a magyarországi fémmegmunkáló iparban is. [1] A hűtő-kenőanyagok felhasználása nélküli ún. „száraz" megmunkálás esetén a fent említett költségek, illetőleg környezeti hatások nem jelentkeznek. Az ún. száraz megmunkálás előnyeként említhető: az olaj, ill. emulzió maradék nem jelenik meg, egyszerűbb a forgácskezelés, nincs víz-, ill. levegőszennyeződés, a megmunkálás során a dolgozókat nem érik egészségkárosító hatások, a hűtő-, ill. kenőanyag tárolása, tisztítása, kezelése és megsemmisítése, ill. ezek költségei elmaradnak. Az általános megítélés szerint a száraz technológiák környezetvédelmi szempontból jóval előnyösebbek. Ezért ezen technológiák fejlesztése több irányban is indokolt. Ebben a fejlesztő munkában hosszabb idő óta jelentős eredményt ért el a Miskolci Egyetem Gépgyártástechnológiai Tanszéke. A kísérletek első szakaszában fúrási erő- és nyomatékméréseket végeztek, illetőleg fürószerszám kopásértékeket mértek változó mennyiségű hűtő-kenőanyag felhasználás esetén. Ezen mérések eredményei referencia értékként szolgálhatnak a csökkentett mennyiségű hűtő-kenőanyag felhasználásakor kapott forgácsoló erő, nyomaték- és kopásértékekkel. A kísérleti mérések során meghatározták a furatok makro- és mikrogeometriai jellemzőit is. A vizsgálatok második szakaszában csökkentették a hűtő-kenő folyadékok mennyiségét és fokozatosan a sűrített levegővel való hűtésre tértek át. Elemezték azokat a kérdéseket is, amelyek a hűtő-kenő folyadékok csökkentése következtében léptek fel. 96
A hűtő-kenő
folyadékot
alkalmazó
megmunkálási
technológiák
kiváltásának
lehetősége
A másik jelentős kutatási irány, amikor egy környezetet károsító megmunkálási eljárást egy másik, környezetbarát eljárással váltunk ki [4], Ilyen kutatási irány a nagy mennyiségű hűtő-kenő folyadékot felhasználó köszörülés helyettesítése szárazmegmunkálással. Szerszámának anyaga polikristályos köbös bórnitrid (PCBN) váltólapka, amely keménysége folytán alkalmas edzett acélok esztergálására. Szükséges feltétel a fokozott merevségű-, e célra épített ún. keményeszterga, amely automata, vagy félautomata üzemmódban dolgozik. Jóllehet a keményesztergálás ipari alkalmazása fokozatosan szélesedik, azonban még távolról sem általános. Több probléma van még, amit a kutatásnak és fejlesztésnek kell megoldania. Zavartalan és sikeres az alkalmazása a viszonylag kisebb felületű furatos munkadarabokon. A köszörülés a nagymennyiségű hűtő-kenő folyadék felhasználás miatt nagymértékben szennyezi a környezetet, károsítja a dolgozók egészségét és emellett még a műveleti költségek is jelentősen magasabbak. Az 1. ábrán a köszörülési müvelet vonatkozásait ábrázoltuk a felhasznált segédanyagok és a művelet utáni maradványok számbavételével.
ElögvArtás KÖSZÖRÜLÉS
Hőkezelés
Segédanyagok
Maradványok Újrahasznosítás nem lehetséges
Kondicionáló gyémánt
KÖSZÖRÜLÉS
Maradék korong
HKF Is
Forgács • imp
Vfi. vezetékes viz
1. ábra: Müveletek,
=8 JS S
KKF koncentrátum
EREDMÉNY M3 J rrs...iT6
Használt hSl64«aA folyidék Aerosolok
segédanyagok és maradványok (HKF- hűtő-kenő folyadék)
•a o >
köszörülésnél
97
Leschenko
1.
A művelet eredménye ugyanaz, mint a keményesztergálásnál, az előzetes műveletek is ugyanazok, viszont maga a köszörülés költséges segédanyagokat igényel, a maradványok közül pedig az iszap és az elhasznált hűtő-kenő folyadék veszélyes hulladéknak minősül. Az iszap a korongról letöredezett abrazív- és kötőanyagszemcsékből, a mikroszkopikus nagyságú forgácsból és hűtő-kenő folyadékból áll. Ezeket szétválasztani lehetetlen, ártalmas a környezetre és az egészségre, ártalmatlanítása speciális feltételeket igényel. Köszörülésnél számolni kell folyadék-köddel is, amelyben nagyon pici l(im alatti - szilárd részecskék, aerosolok lebegnek. Ennek koncentrációját és a szilárd részecskék méretét lézer-fotométerrel történő monitorizálással ki lehet mutatni. Az aerosolok belégzése súlyos egészségkárosodást vonhat maga után. A száraz eljárásoknál ezek a kedvezőtlen hatások nem jelentkeznek. A keletkezett forgács a munkadarab anyagával azonos, így könnyen reciklizálható. Az elkopott szerszámot vagy félreteszik, vagy élezés után újra felhasználják, de nem keveredik össze más anyagokkal. A keményesztergálás ökológiai blokk-ábráját, a köszörüléssel való összevetés céljából is, a 2. ábrán közöljük. A munkadaraboknak köszörüléssel azonos minősége mellett, teljesen környezetbarát, tiszta, higiénikus technológiája valósítható meg keményesztergálással.
2. ábra: Műveleti maradványok keményesztergálásnál
98
A hűtő-kenő folyadékot
alkalmazó
megmunkálási
technológiák
kiváltásának
lehetősége
Nagyon gyakran a környezetbarát eljárás a költségesebb. A keményesztergálás megfelelő technológiai adatválasztás mellett nemcsak környezetkímélő, hanem olcsóbb eljárás is lehet [5], Egy 36 mm átmérőjű fogaskerék kísérleti eredményei ezt mutatták (hossza: 38,45 mm; anyaga: 16 MnCr5; keménység: 61-63 HRC). A furatokban a megmunkálás után IT6 pontosságot kellett biztosítani. Az előírt érdesség (Rz) értéke: a furatban Rz = 5 pm. Az alkatrészre elvégzett költségelemzés során a következő költségösszetevőket határozták meg: • bérköltségek, • gépköltségek, • gyártóeszköz költségek, • műveleti költségek. A költségszámítások eredményeit a 3. ábrán ábrázoljuk. Ezzel arányos az elérhető nyereség is egy fogaskerékre számítva. A legnagyobb nyereség a bérköltségeknél van, mert az esztergáknál kétgépes kiszolgálást lehet alkalmazni, köszörülésnél viszont ez nem lehetséges. A keményesztergálás gépköltsége nagyobb, mint a köszörülésé. Ha a költségráfordításokat
kiszámítjuk,
a következő
eredmények
adódnak:
A keményesztergálás bérköltsége a köszörülésnek 22 %-a. A keményesztergálás gépköltsége a köszörülésnek 122 %-a. A keményesztergálás gyártóeszköz költsége a köszörülésnek 29 %-a. A keményesztergálás műveleti költsége a köszörülésnek 61 %-a.
99
Leschenko
I.Ofi
1.
0.92
r: l Köszörülés nKeményesztergalas
0.80 t »
-D
T3 í?
|0.56
0.60
O) •
0 33
0,24
:0 * 0,20 i
O.DO
0.07
Bei ktgs
ktgs
a) 140
120
122
ŕ^á
100
100
D Köszörülés •
Keményesztergálás
100
100
100
O) -0)
80 60
•o
x.
40
29
22
20 !
05 Ber
ki0s
Góp
k t««
0/ 0t7kô7
Muvŕlet» ktíjí
klgs
b) 3. ábra: Keményesztergálási és köszörülési költségek a) költségek euróban, b) költségek százalékosan
100
A hűtő-kenő folyadékot
alkalmazó
megmunkálási
technológiák
kiváltásának
lehetősége
Összefoglalás Edzett furatok és a hozzájuk kapcsolódó felületek gazdaságos és környezetkímélő megmunkálását jelentősen befolyásolja a választott eljárás. Az alternatív eljárások közül jóval gazdaságosabb a szárazon végzett keményesztergálás, mint a sok hűtő-kenő folyadékot igénylő köszörülés. A régebbi szerszámokhoz viszonyítva drágának látszó köbös bómitrid szerszám termelékenysége folytán végül is nagyobb hasznot hoz, mint az olcsó szerszámos köszörülés. Ökológiai tekintetben a köszörüléshez szükséges sok hűtő-kenő folyadék jelentősen károsítja a dolgozók egészségét, szennyezi a környezetet, és még veszélyes hulladék is keletkezik. Ezek mellett a gyártási költségek is emelkednek. Az alternatív megoldások közül a korszerű száraz eljárások választása indokolt, mert egyrészt olcsóbb, másrészt teljesen környezetbarát.
101
Leschenko
1.
Felhasznált irodalom [1]
Bay Zoltán Alkalmazott Kutatási Alapítvány Logisztikai és Gyártástechnikai Intézete: Hazai ipari technológiák környezeti hatásai. „A környezetvédelmi ipar hazai helyzete" c. tanulmány II. melléklete. Miskolc, 1996. március
[2]
BMFT kutatási tervek: Szárazmegmunkálás cermet szerszámokkal. VDI-TZ. Düsseldorf (1993)
[3]
Cselle Tibor: A szárazmegmunkálás érvei és ellenérvei. GÜHRING 39, 27. évf. (1994)
[4]
A.G. Mamalis, J. Kundrak, K. Gyáni and A. Markopoulos: Economic and Environmental Effect of Machining Hardened Bores And the Connecting Surfaces. 9th International Workshop on Ecology and Economy in Manufacturing, ICEM 2003 Papers 8 10p.
[5]
J. Kundrak: Advantages of hard cutting in machining of hardened bores, Proceeding of the International Congress of Precision Machining (ICPM), Prague, Czech Republic, 3-6. Sept 2003. pp. 180-186.
102
